對稱曲面仿形拋光機構關鍵控制方法

牛秦華，淮文博，王旭輝，南倩

(西安理工大學 國家級工程訓練實驗示范教學中心，陜西 西安 710048)

0 引言

型面復雜的對稱體產品被廣泛應用于模具、工具、能源、交通、航空航天、航海等領域[1]。合格的表面完整性則有利于提高其機械強度、抗腐蝕性、抗疲勞性，延長產品使用壽命[2]。因此，對型面復雜的對稱體表面完整性要求很高[3]，而表面拋光作為最后一道工序對其有重要的影響。如何控制各工藝參數是實現工件表面殘留高度快速均勻地被切除、提高工件表面質量的關鍵[4]。

對稱曲面結構體型面曲率變化大，型面信息讀取和拋光力精準控制難度大，一般需采用多軸聯動拋光機床，需編寫復雜的拋光軌跡程序[5]。人工拋光效率低下、表面質量及一致性不穩定，而且環境惡劣，對人體危害大，還需要工人具有熟練的技術和豐富的經驗[6]。 機械拋光對于結構形狀復雜，或有拐角、空洞的工件干涉大，無法進行正常拋光[7]。化學拋光中拋光液的配制及其污染是很大的問題，而且其拋光表面質量及一致性較差[8]。化學機械拋光中材料切除率的影響因素是相互協調的，不易于通過單一因素的改變來控制材料切除量[9]。磁研磨拋光效率低，磨料制作成本高、壽命低[10]。超聲波拋光得到的工件表面質量及精度較差，很難加工曲面復雜的對稱工件[11]。化學氣相沉積速率較低，參加沉積的反應源和反應后的余氣易燃易爆或有毒，需采用環境保護措施[12]。拋光機器人柔性好，但剛度弱、精度差，且示教調試過程復雜、成本高[13]。

本文針對型面復雜的對稱體類零件表面拋光，設計了一種仿形拋光裝置；分析了仿形拋光裝置的工作原理；建立了材料切除量數學模型；提出了拋光力控制方法；最后通過拋光試驗證明了該裝置的可靠性。

1 仿形拋光裝置工作原理

對稱結構仿形拋光裝置的結構組成如圖1所示。該機構由套筒模塊、活塞模塊、支架軌、連桿、拋光箱體、滾輪組、拋光砂帶、拋光輪、砂帶傳動模塊、拋光電機、軸承、引導箱體、引導輪、電源和內部電路組成。工作時，裝置通過套筒模塊上的法蘭盤固定在至少可實現三軸運動的驅動設備上，在活塞模塊處外接液壓系統調整載荷，然后由驅動設備移動裝置，使裝置的中心位置與待拋光對稱體的對稱面共面，并使引導輪和拋光砂帶與待拋光表面順滑接觸。

圖1 對稱結構仿形拋光裝置示意圖

本裝置的仿形原理是引導輪所接觸的型面信息通過“活塞-連桿-滾輪-導軌”對稱結構傳遞給拋光砂帶，從而引導砂帶的拋光軌跡。

2 仿形拋光關鍵技術

2.1 切除量數學模型

要實現均勻拋光必須精準控制材料的切除量，這需要對其進行科學、定量的建模和分析，以增強拋光過程確定性[14]。隨著材料切除量增大，磨具能有效去除材料表面殘留高度，表面粗糙度Ra隨之下降[15]。Preston模型是最具有代表性的拋光材料切除模型[14]，如式(1)所示[16-17]。

(1)

式中：dW/dt為材料的切除量；KP為Preston系數，與加工條件和材料性能有關；N為拋光面上的壓力；V為拋光砂帶與工件相對速度。

2.2 切除量變化規律

圖2為拋光工作狀態示意圖。為了便于分析和計算，標記工件內表面下端點為O位置，以O點為坐標原點，以拋光輪所受重力方向的反方向為y軸正方向，以與之垂直且指向工件內表面方向為x軸正方向，建立坐標系。

圖2 拋光工作狀態示意圖

對拋光輪進行力學分析，連桿質量忽略不計。m為拋光輪的質量；θ為接觸點切線與x軸正方向夾角；N為拋光砂帶受拋光表面的壓力，可近似看作拋光輪受拋光表面的壓力。拋光砂帶與拋光區域是微面接觸，可認為N是均勻的[4]。設F為施加給活塞模塊的豎直向下的力，α為左、右連桿與豎直方向所夾銳角，F1和F2分別為沿左、右連桿的分力。

已知被拋光內表面母線方程為Fn(x)，對Fn(x)求導即可得接觸點斜率K。

F′n(x)=K

(2)

通過式(3)可求得夾角θ。

θ=arctanK

(3)

F1和F2可由式(4)求得。

(4)

拋光磨具水平方向的力平衡可由式(5)求得N。

(5)

為保證被拋光體表面拋光精度一致性，需保證在不同y坐標下切除量dW/dt為定值。

將式(2)-式(5)代入式(1)得到材料切除量

(6)

若被拋光體工件x為定值，即對稱平面，則K趨近于無窮大，可知dW/dt只與F、α和V有關。

2.3 進給速度及拋光力控制方法

控制拋光進給速度有兩種模式：位置駐留模式和速度駐留模式[18]。采用位置駐留模式時，拋光砂帶離散地對工件上不同高度的點進行逐層拋光，此時機床需要頻繁的啟動、停止，工作效率低且容易損傷表面。采用速度駐留模式時，即本機構所采用的移動拋光方式，直接控制拋光磨具沿著y方向的進給速度，拋光過程不僅連續而且效率高、質量好[15]，所以本文采用速度駐留模式。

設電機角速度為ω，主動輪半徑為R，從動輪半徑為R1，砂帶傳動輪半徑為R′1，從動軸角速度為ω1，則有電機角速度ω和拋光砂帶與工件相對速度V的關系：

(7)

直流電機轉速控制規律如式(8)所示。

(8)

式中：n為電機轉速；U是電樞電壓；I是電驅電流；r是回路電阻；K是感應電動勢常數；φ是勵磁通量。在正常工作中，自變量只有U。

已知電機角速度與周期的表達式：

(9)

轉速與周期關系式：

(10)

將式(9)代入式(10)可得

(11)

聯立式(6)-式(8)、式(11)可得U的表達式：

(12)

記在y方向進給速度為V′，則機構拋光接觸點的y坐標為

(13)

如圖2所示，被拋光內表面母線方程用Fn(x)表示，l為被拋光半圓弧內表面的半徑，則：

(14)

把機構拋光接觸點的y坐標反代入Fn(x)中，得

(15)

聯立式(11)-式(13)后代入x值，可建立V′與U的函數表達式：

U=

(16)

因V′為設定值，從而可通過調節U的大小控制拋光力。

3 拋光試驗

3.1 試驗方法

為檢驗該拋光及控制方法的可靠性，開展拋光試驗。通過法蘭盤將拋光裝置固定在驅動設備工作臺上，工作臺帶動拋光設備實現精確位移，使拋光裝置的拋光輪和拋光表面柔性接觸；依據拋光曲面曲率變化，通過調壓閥調整活塞上方載荷大小，從而獲得均勻的拋光力。本實驗選取粒度為400目的砂帶對同一TC4材質對稱曲面結構體的不同加工區域進行拋光[19]，采用觸針式表面粗糙度測量儀進行測量。首先進行粗拋光，對試樣的每個局部加工表面進行預處理；而后對各個加工表面進行半精拋光；最后對該表面進行精拋光(3次)。所采取的拋光工藝參數如表1所示。

表1 TC4材料的各項拋光工藝參數

3.2 結果分析與結論

經檢測，拋光前TC4鈦合金對稱曲面體試樣待加工表面平均粗糙度值Ra=1.31μm，如圖3(a)所示；粗拋、半精拋、精拋(3次)后平均表面粗糙度值分別1.2μm、0.7μm、0.34μm，精拋后表面粗糙度明顯降低，如圖3(b)所示。

試驗結果表明，該裝置能獲得合格的拋光表面質量，本文設計機構及控制方法是可靠的。

圖3 拋光前后內表面對比

4 結語

1) 針對對稱曲面結構體型面法矢及曲率變化大、型面信息讀取和拋光力精準控制難度大的問題，設計了一種“活塞-連桿-滾輪-導軌” 倒“Y”形結構的對稱結構仿形拋光裝置。

2) 建立了拋光材料切除量數學模型，分析了所施加載荷、拋光砂帶線速度與材料切除量的變化規律。

3) 提出了采用速度駐留模式來控制進給速度及拋光力的方法。

4) 試驗結果表明，該裝置能獲得合格的拋光表面質量，本文設計的機構及控制方法是可靠的。